高振良 孫小凡 劉育強 劉華偉 譚春林
(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)
隨著空間技術的發展,航天器在國民經濟建設中發揮著越來越重要的作用。其中,地球靜止軌道(GEO)是高價值太空資產最為集中的區域,區域內航天器使用價值高、研制與部署成本高,同時由于GEO高價值航天器自身具有長壽命、高可靠的特點,燃料耗盡已成為GEO航天器的主要失效原因,影響了這些高價值空間資產使用效能的充分發揮。目前,國外已有多家公司正在開展航天器延壽相關項目的研究,其中比較有代表性的為美國諾格公司,其研制的任務延壽飛行器(MEV)成功實現了與國際通信衛星-901(Intelsat-901)對接,開啟了商業化在軌延壽服務的歷史性時刻。根據美國北方天空研究公司2020年1月發布的報告,預計未來10年GEO航天器延壽業務將有約30億美元的市場需求,因此需要對航天器在軌延壽服務給予高度關注,通過對壽命末期的航天器進行延壽服務,提升航天器在軌應用效能,為用戶創造更多價值[1]。
本文針對航天器在軌延壽服務的現實需求,在對國外近年來典型航天器延壽服務項目研究的基礎上,分析了航天器延壽服務的發展趨勢,結合我國相關技術發展情況,為進一步推動航天器延壽服務領域發展,提出了相關建議。
接管延壽是發揮現有在軌航天器效能的現實需求。航天任務具有高風險特點,航天器發射及在軌異常時有發生,造成航天器功能或壽命受損,影響其在軌應用效能的發揮。例如:2009年8月31日印度尼西亞帕拉帕-D(PALAPA-D)衛星發射,運載火箭未能將衛星送入預定軌道,衛星經過自身變軌,于9月9日成功定點,但剩余推進劑只能維持其在軌運行10年左右,壽命損失約1/3[2];2017年6月19日我國發射中星-9A衛星,同樣由于運載火箭入軌異常,衛星未能進入預定軌道,雖然經過衛星自身變軌機動成功完成了GEO定點,但衛星的使用壽命已大幅減少,衛星實際在軌運行不足4年,遠未達到15年的設計壽命要求。因此,需要通過接管姿態與軌道控制的方式,有效延長目標航天器在軌服役時間,確保其使用壽命滿足要求。
在軌加注是提升未來在軌航天器能力的必然要求。隨著航天器上設備及元器件可靠性的提高,燃料耗盡已成為GEO航天器失效的主要原因。例如:對2008-2010年GEO航天器失效數量統計表明[3]:燃料耗盡失效比例已經達到85.4%,并且隨著整星可靠性設計水平的逐漸提高,燃料耗盡失效比例還將進一步上升。針對燃料耗盡的航天器,除了可以通過姿態與軌道控制接管方式實現延壽,隨著推進劑在軌加注技術的發展,可接受在軌加注將成為高價值航天器的必然要求。
在軌維修是解決航天器早期故障的重要手段。由于航天器系統的復雜性與運行環境的嚴酷性,航天器在軌發生故障在所難免,往往個別產品故障即可造成價值數十億元的航天器在軌失效,同時,目前航天器在軌維修手段不足,并且大部分在軌航天器未考慮可維修性設計,因此發展航天器在軌維修能力對確保航天器在軌穩定運行具有重要意義。例如:哈勃空間望遠鏡入軌初期存在聚焦不準的問題,通過航天飛機對其先后進行了5次在軌維修操作,不僅解決了自身“近視”問題,還使其探測能力有了大幅提升[4]。
針對航天器在軌延壽服務的迫切需求,國外已開展了大量研究工作,積累了豐富經驗,其中部分技術已經實現了商業化在軌應用。
關于航天器接管延壽服務,早在1996年,美國針對未能入軌的甚高頻-1(UHF-1)衛星就提出了相關方案設想。由于接管延壽需求的迫切性,近年來國外相關宇航企業更是開展了大量技術研究工作,本文選取其中比較有代表性的項目進行介紹。
2.1.1 軌道延壽飛行器(OLEV)
21世紀初,美國軌道復原公司及其英國子公司提出了OLEV計劃[5],擬通過對接方式取代原衛星的姿態與軌道控制系統,從而實現延長衛星工作壽命的目的。OLEV發射入地球同步轉移軌道(GTO),然后靠自己的霍爾電推力器加速進入GEO,并與受援衛星交會對接形成一體。OLEV并不向受援衛星加注推進劑,也不需要在受援衛星上設置專門的加注對接口,它可以同GEO上任何一種3軸穩定衛星相結合,能為質量在3000 kg以下的衛星延長10年工作壽命。此外,OLEV還可針對未能正常入軌的衛星展開在軌救援服務,并通過上述對接鎖緊方式將客戶衛星送至正常軌道。
2003年,OLEV項目完成了初步方案設計、分系統與部件設計,提出了研制成本預算,并發布了招標書。荷蘭空間公司中標成為研制OLEV的主承包商,命名為錐型車-軌道延壽飛行器(CX-OLEV,見圖1),德國宇航中心(DLR)負責提供對接工具與捕獲技術。

圖1 CX-OLEV示意
為了進一步降低OLEV成本,基于靈巧-1(SMART-1)平臺又提出了靈巧-軌道延壽飛行器(SMART-OLEV,見圖2)方案,其質量相比CX-OLEV大大減小(約500 kg),利用新型小型連接機構,同樣通過客戶衛星的發動機噴管與客戶衛星進行機械連接,為客戶衛星提供姿態與軌道控制、軌道重定位等服務,也可對GEO廢棄衛星進行離軌處理,拖曳進入墳墓軌道。

圖2 SMART-OLEV示意
2.1.2 任務延壽飛行器(MEV)
MEV是2011年美國ViviSat衛星公司提出的GEO衛星延壽項目。2013-2015年,軌道ATK公司從ViviSat衛星公司接手整個項目團隊。2017年,諾格公司收購軌道ATK公司,繼續推進項目研究工作。2019年10月9日,諾格公司的MEV-1搭載俄羅斯質子-M(Proton-M)運載火箭成功發射,正式開啟了全球商業在軌延壽服務元年[6]。MEV-1項目的首要目標是為國際通信衛星(INTELSAT)公司已失效的Intelsat-901衛星提供為期5年的在軌延壽服務,根據合同規定,INTELSAT公司每年為MEV-1支付1300萬美元費用。2020年2月25日,MEV-1與Intelsat-901在墳墓軌道完成了對接(見圖3);4月17日,諾格公司宣布Intelsat-901已經返回GEO且重新定點,并于4月2日重新開始提供通信服務。為期5年的延壽服務后,MEV-1首先完成Intelsat-901衛星再次離軌處置,然后繼續為下一個客戶衛星提供在軌延壽服務[7]。

圖3 MEV-1與Intelsat-901交會對接
2020年8月16日,諾格公司又成功發射了MEV-2(見圖4),服務對象為Intelsat-1002。2021年4月12日,MEV-2成功與Intelsat-1002對接,開啟了5年的延壽服務。與MEV-1延壽任務不同,Intelsat-1002一直在GEO服役,MEV-2與其對接后無需軌道機動即可轉入延壽服務。

圖4 MEV-2地面試驗
2.1.3 任務機器人飛行器(MRV)
由于MEV在整個延壽期間必須與被服務衛星連接,只能提供“一對一”服務。為了提高服務效率,諾格公司在2018年對外公布了靈活性更高的MRV[8](見圖5)。MRV基于MEV原型進行改進,采取功能模塊化升級設計,額外搭載10~12個任務擴展箱(MEP)與空間機械臂裝置,每個MEP均可安裝到被服務衛星上并充當獨立的推進系統,且不需要MRV一直駐留,做到“一機對多星”,并且“裝完即走”。根據2022年3月24日《航天新聞》報道,諾格公司的MRV具備10年壽命,首個MRV將攜帶3個MEP,每個MEP能讓GEO衛星的服役壽命延長多達6年,目前諾格公司已與澳大利亞衛星運營商等6家客戶達成服務意向,預計于2024年發射入軌。

圖5 MRV在軌延壽服務示意
2.1.4 太空雄蜂(Space Drone)項目
Space Drone項目原為總部設在英國的有效太空公司研發的延壽飛行器(見圖6),主要用于通信衛星延壽與輔助變軌,原計劃2020年前后發射。2018年1月,該公司宣布已從一家“重要的地區性衛星運營商”那里拿到首份合同,但未披露該用戶身份。有效太空公司稱,合同涉及發射2個Space Drone延壽飛行器,并同該家用戶的2顆衛星對接,以提供軌道位置保持與姿態控制服務,合同總價值在1億美元以上。根據相關報道,Space Drone的質量約為400 kg,飛行器將以搭載方式發射,采用電推進飛往客戶衛星,將對接到衛星的星箭對接環上,隨后接管衛星的機動功能,可長期運行或短期使用。目前,該項目已被日本初創企業Astroscale公司收購,改為Astroscale LEP,并由設立的美國子公司繼續實施。

圖6 Space Drone在軌延壽服務示意
2.1.5 接管延壽技術分析
通過對上述接管延壽項目分析可知,開展接管延壽服務任務需要綜合考慮被接管目標收益和服務飛行器自身成本。其中:MEV采用整星接管模式,技術相對成熟,但同一時刻只能為1個目標提供服務,綜合效益相對不足;MRV采用MEP接管模式,可1次任務實現對多個目標延壽服務,將成為未來首選延壽方式。不過,無論是整星接管模式還是模塊接管模式,其前提都是需要先完成非合作目標的捕獲和接管,因此我國在軌開展接管延壽技術研究時,應統籌考慮不同接管延壽模式特點和現有技術基礎,盡快推動非合作目標捕獲對接與接管控制等相關技術研究與在軌試驗,為后續在軌應用奠定基礎。
國外自20世紀70年代即開展了在軌加注技術研究,并在航天飛機與“國際空間站”(ISS)上得到應用;近年來又通過多個項目開展面向衛星的在軌加注技術研究。
2.2.1 GEO加注延壽系統
在INTELSAT公司的資助下,加拿大麥克唐納·德特威勒聯合(MDA)公司提出了利用空間機械臂對GEO壽命末期衛星開展燃料加注延壽的設想(見圖7),即利用空間機械臂系統首先完成對客戶衛星遠地點發動機噴管的抓捕,然后再打開客戶衛星的注排閥門,最后插入軟管泵輸入適量燃料。INTELSAT公司的負責人表示,每顆GEO通信衛星每年的運營收益約為1億美元,而利用在軌延壽技術對衛星進行延壽的成本為3000萬~5000萬美元,若壽命延長5年,其產生的經濟效益極其可觀。

圖7 MDA公司GEO延壽系統
2.2.2 機器人燃料加注任務(RRM)
NASA與加拿大航天局從2009年開始實施RRM[9](見圖8)。RRM依托ISS開展,主要針對不具備專門在軌加注接口的航天器開展燃料加注技術演示驗證,采用直接傳輸推進劑的方式。

圖8 Dextre機械臂與RRM模塊
RRM任務共分為3個階段。2011年9月-2013年5月,RRM-1任務驗證了拆除模擬衛星的冷卻劑氣體設備、切割衛星隔熱氈等一系列燃料加注技術。2013年8月-2016年1月,RRM-2任務驗證了在軌監測、修復故障及制冷劑補加等在軌加注服務所需的技術、工具與工藝。2018年12月,RRM-3發射至ISS,開展了低溫流體液態甲烷的儲存與傳輸技術在軌演示驗證。
2.2.3 復原-L(Restore-L)項目
2014年,NASA啟動了Restore-L任務的論證工作[10-11],計劃對極軌衛星進行加注等服務。Restore-L在完成目標對接環鎖緊對接的基礎上,通過機械臂輔助工具實現加注接口連接(見圖9)。該方式支持加注接口靈活布置,便于工程推廣應用。Restore-L啟動的時間為2014年,從時間與任務分析來看,Restore-L是RRM的獨立飛行驗證版,將在真實空間環境下對在軌加注服務所需的關鍵技術進行全流程、系統性的驗證。

圖9 Restore-L加注任務示意
2.2.4 在軌服務、組裝與制造(OSAM)項目
2020年,NASA等政府機構發起一項OSAM國家倡議,以便加強相關組織的聯系,明確政府機構與公司針對OSAM技術的投資領域,確定OSAM技術新用途,創建知識共享中心,并將Restore-L任務轉為OSAM-1任務。OSAM項目已于2020年5月成功通過了美國聯邦審計總署關鍵決策點評估,其開發計劃與預算得到確認,相比原計劃有所推遲,預算也上升到10.43億美元(Restore-L預算為7.53億美元),目前正在由麥克薩(Maxar)公司承擔OSAM-1研制任務,并定于2024年發射。
2.2.5 在軌加注技術分析
根據上述項目情況可知,國外針對航天器在軌加注技術已開展了大量研究,其中ISS在軌加注技術已成熟應用,但由于其質量、尺寸等較大,無法直接在衛星上使用。針對衛星加注技術,美國在2007年通過軌道快車(Orbital Express)項目雖然也成功開展在軌技術驗證,但由于Orbital Express仍采用基于交會對接的方式實現在軌加注,該方式要求被服務對象必須配置專用交會對接被動接口,代價較大,至今未能得到推廣,因此Orbital Express任務后,美國通過RRM,Restore-L,OSAM-1持續推動更加靈活實用的在軌加注技術,通過采用機械臂輔助模式實現推進劑的在軌靈巧補加,大大簡化被服務對象補加接口配置。我國后續開展航天器在軌加注任務時,也應考慮航天器增加接受補給功能的代價問題,建議優先發展在軌靈巧補加技術,開發更為靈巧實用的推進劑補加接口,以便提高在軌加注技術可推廣性,為后續在軌應用創造有利條件。
2.3.1 太陽峰年任務(SMM)衛星在軌捕獲與修復
1984年4月,美國挑戰者號航天飛機利用交會接近技術,輔以遙控機械臂與航天員艙外操作,在運行軌道上成功追蹤、捕獲并修復了失靈的SMM衛星(見圖10),使該衛星成為第1個利用航天飛機進行在軌捕獲、維修與釋放的航天器。該次在軌維修服務任務驗證了空間機械臂在在軌服務任務中的巨大作用,也驗證了在軌維修的巨大經濟效益。

圖10 航天飛機機械臂捕獲SMM衛星
2.3.2 哈勃空間望遠鏡(HST)維修與升級
1993-2009年,NASA先后5次使用航天飛機搭載航天員,對HST實施了大規模的在軌維修任務(見圖11)。任務包括失效部件的替換、先進科學儀器的更新、未預先計劃的臨時維修任務等。由于HST具有很強的接收在軌維修與重構的能力,通過多次實施在軌維修服務,其攜帶的科學儀器得到不斷的更新,其科學探測能力實現大幅提升。

圖11 在軌維修HST
2.3.3 工程試驗衛星-7(ETS-7)
ETS-7是日本為驗證在軌維修操控技術研制的飛行器[12],由2顆衛星組成,主要進行在軌分離與交會對接,以及應用機械臂轉移有效載荷與捕獲/停靠等技術試驗(見圖12)。2顆衛星連在一起,由日本H-2運載火箭于1997年11月28日發射,進入高度550 km、傾角35°的目標軌道。在交會對接試驗期間,子星(目標星)從主星(追蹤星)釋放出來,成功進行了V-Bar逼近與R-Bar逼近技術試驗。空間機器人試驗包括高級機械手試驗,展開/拆卸裝配試驗與天線裝配機構試驗。

圖12 在軌交會對接與捕獲期間的ETS-7
2.3.4 Orbital Express
2007年,美國Orbital Express成功完成在軌飛行試驗。它由目標衛星NEXTSat與服務衛星ASTRO組成,2顆衛星運行在軌道高度492 km、傾角46°的圓軌道上(見圖13)。NEXTSat質量為226 kg,高和寬均為1 m,用于演示被服務的目標衛星存儲燃料與更換模塊的物資存儲平臺。服務衛星ASTRO質量為952 kg,高和寬均為1.8 m,主要開展在軌捕獲、模塊更換與在軌加注等多項操作任務。

圖13 Orbital Express示意
2.3.5 德國軌道服務系統(DEOS)
DEOS為德國的自主在軌服務項目,由DLR于2007年4月提出(見圖14)。該項目的主要目標為通過空間機械臂捕捉非合作目標航天器并完成在軌服務,從而驗證自主在軌服務的關鍵技術,包括空間機器人技術、非合作目標跟蹤與捕獲技術、先進推進技術、空間加注技術等。

圖14 DEOS在軌服務
2.3.6 前端機器人使能近期演示驗證(FREND)項目
在Orbital Express計劃后,美國重點發展了針對非合作目標的新一代空間機器人計劃FREND[13]。FREND項目的主要目的是對GEO通信衛星進行維修或者燃料補給,其前身為通用軌道修正航天器(SUMO)計劃。FREND是一個面向非合作目標的自主交會、逼近、抓捕并實施在軌服務的演示任務,重點對機器視覺、機械臂、自主控制方法等關鍵技術進行驗證。目前,該項計劃的成果已轉入地球同步軌道衛星機器人服務(RSGS)項目。圖15為FREND項目中的服務衛星。

圖15 FREND項目中的服務衛星
2.3.7 鳳凰(Phoenix)計劃
為了盡可能挽回GEO衛星故障或失效造成的損失,并有效保護GEO資源,2012年7月美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了Phoenix計劃[14](見圖16),旨在開發、演示聯合回收技術,重新利用已經退役或失效的GEO衛星上的有價值部件(如大孔徑天線)來組建新航天器,可顯著降低新型空間設備的開發成本,并降低風險。

圖16 Phoenix計劃示意
Phoenix演示驗證系統主要由服務衛星(Servicer/ Tender)、細胞衛星(Satlet)和高軌載荷輸送系統(PODS)組成。Servicer/Tender是Phoenix演示驗證系統的核心部分,安裝有機械臂,能抓捕PODS和失效衛星,拆解失效衛星的有用部件,安裝Satlet,組裝成1顆新衛星,并帶著新衛星進行軌道轉移。Satlet是高度集成的模塊化衛星,具有特定的衛星分系統或部件級功能,如姿態控制、射頻轉發等。Satlet具有相同的構型,可根據特定的任務需求像搭積木一樣組裝,引入了細胞化和形態重構的概念。PODS可裝載多個Satlet和機械臂在軌操作工具,通過搭載商業衛星發射到GEO。
2.3.8 RSGS項目
2016年5月,美國DARPA啟動了RSGS項目[15-16],旨在建立GEO上的靈巧機器人操作能力(見圖17)。RSGS項目除了進行與MEV相似的任務,還可以進行在軌檢查、在軌維修、在軌升級等精細操作,以便提高美國現有空間基礎設施的可靠性和系統彈性。與MEV簡單的抓捕對接機構相比,RSGS帶有2 m長的雙機械臂和靈巧末端執行器,能在軌精細操作。DARPA計劃通過RSGS項目預期實現的服務任務為:①檢查,包括合作式診斷、檢查功能異常的GEO航天器。②維修,包括太陽電池陣、天線展開故障等機械異常修正。③延壽,即協助軌道變化機動,包括轉移客戶航天器至新的工作位置或任務后處理軌道、輔助軌道機動、延長航天器壽命等。④升級,包括為運行的合作航天器安裝升級包,提供新功能。RSGS項目已于2018年完成有效載荷初始設計評審,計劃2023年前開展在軌試驗。

圖17 RSGS在軌服務示意
2.3.9 在軌維修技術分析
由于在軌航天器并未開展可維修性設計,對其進行在軌維修操作難度很大,截至目前尚未實現真正意義的航天器無人在軌維修服務。后續開展航天器在軌維修維護任務,需要服務航天器配置具備精細操作能力的機械臂和專用末端工具;同時,為了提高未來航天器在軌維修的便利性,在發展維修操作技術的同時,也應加快發展面向未來的可維修航天器技術,通過采用可維修性設計,使航天器在軌維修變得更易于實現,也為后續在軌升級重構、組裝建造等任務提供基礎。
通過對國外在軌延壽服務發展分析,可以看出:接管延壽、在軌加注、在軌維修一直是航天技術重要的前沿方向,呈現出需求牽引推動、技術創新驅動、體系融合發展的特點,經過長期發展正在逐步形成在軌應用能力。
(1)形成實用能力是在軌延壽服務的發展目標。在軌延壽服務潛在的經濟效益是推動相關領域持續發展的主要原因,美國通過MEV項目的實施,已經實現了接管延壽服務的商業化運行,在其他在軌服務企業之前搶占了市場先機,在培育客戶的同時也支撐了后續在軌服務能力的升級發展。目前,諾格公司正在發展能提供一對多服務能力的MRV項目,以增強其延壽服務效益。在軌加注方面,國外已驗證基于交會對接的推進劑補加技術,通過RRM,Restore-L,OSAM等項目,正在向機械臂輔助在軌加注的實用方向發展,逐步提升在軌加注的實用化水平。隨著在軌加注技術的不斷發展,可在軌接受推進劑加注有望成為后續高價值航天器的基本要求。
(2)實現技術突破是在軌延壽服務的應用前提。航天器在軌延壽服務涉及非合作目標自主交會、捕獲連接、模塊更換、推進劑補加、機械臂精細操作等諸多關鍵技術,為此,美國、歐洲、日本等長期開展了大量關鍵技術攻關,為相關技術的在軌應用奠定了較好的技術基礎,其中的接管控制技術經過約20年的發展,更是實現了在軌商業化應用。在軌加注方面,RRM,Restore-L,OSAM等項目,使基于機械臂輔助操作的靈活加注方式正在逐漸成為可能,有望近期實現在軌應用。故障在軌維修方面,憑借Orbital Express,FREND,Phoenix,RSGS等項目的持續研究,正在突破以機械臂精細操作為代表的關鍵技術,為航天器在軌維修服務提供能力保障。
(3)加強統籌規劃是在軌延壽服務的內在要求。盡管航天器接管延壽、在軌加注、在軌維修等延壽服務在技術上存在一定差異,但針對未來迫切的應用需求,各航天大國均采取了體系融合發展的思路。例如:NASA的OSAM項目除了在軌加注外,還具備在軌維修、組裝及建造能力;DARPA的RSGS同時具備在軌檢查、維修、延壽、升級等多項在軌服務功能。通過體系上統籌規劃,分階段、有計劃協調推進,實現在軌服務能力不斷取得突破。
隨著我國在軌航天器日益增多,在軌延壽服務需求也日趨迫切。為推動我國在相關領域的發展,建議加強頂層體系謀劃的同時,加快核心技術攻關與轉化,盡快形成在軌應用能力。
(1)加強航天器在軌延壽服務體系謀劃,系統開展能力布局。根據2022年2月發布的《中國航天科技活動藍皮書(2021年)》,截至2021年年底,我國在軌航天器已達到400個,居世界第2位,其中GEO高價值衛星約60顆,航天器在軌延壽服務應用需求迫切;同時,在軌延壽服務種類多樣、系統體系復雜、技術跨度較大。為了更好推進相關能力建設,建議將航天器在軌延壽服務系統作為我國未來重要的空間基礎設施納入后續航天發展規劃,加強體系頂層布局設計,分階段、有計劃統籌推進,不斷提升相關技術成熟度,適時開展在軌飛行試驗驗證和示范應用,逐步形成較為完善的空間服務能力體系,全面支撐我國未來空間資產和空間資源保護。
(2)加快在軌延壽技術攻關與轉化應用,盡快形成實用能力。高價值航天器在軌延壽需求日益迫切,隨著相關延壽服務技術的不斷發展,航天器在軌延壽服務正在變成現實。針對航天器在軌延壽服務需求,在國家有關計劃支持下,已經開展了大量關鍵技術研究,極大促進了在軌延壽服務相關技術的發展。為加速我國航天器在軌延壽服務能力建設,建議近期以我國即將到壽命的GEO衛星為目標,開展在軌延壽服務技術驗證和示范應用,形成在軌服務能力。
(3)開展在軌延壽服務前沿技術創新,積極搶占技術制高點。航天器在軌延壽服務是當前空間領域的熱點方向,涉及目標接管控制、推進劑在軌加注、故障維修等諸多方面,需要持續開展前沿技術創新探索。針對當前航天器延壽服務需求和前沿技術發展情況,建議近期重點加強非合作目標捕獲對接、推進劑靈巧加注、智能自主精細操作、航天器可維修性設計等技術研究,搶占空間技術制高點,實現與國際先進水平的比肩趕超。